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单周期CPU设计与实现（最新版）--烧板部分

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概述

  上一篇post讲述了单周期CPU的简单实现，在这篇post我将会讲述单周期CPU的烧板过程。在进行仿真测试后，验证了单周期CPU的正确性之后，我们就可以将CPU烧到Basy3板中了。

原理

  使用数码管显示我们需要的一些信息，如当前PC、下一条PC、寄存器号、寄存器内容等。要求如下：
数码管显示
  我的想法是，通过编写一个四位的移位寄存器，高频率地扫描显示我们需要的信息。根据Basy3板提供的是一个500MHz的时钟信号，这个信号用于扫描显示频率太高了，因此我们需要写一个分频器。为了在七段数码管上显示，我们还需要写一个译码显示的译码器。最后，CPU的工作时钟是由我们通过按键手动输入的，因此对于按键产生的信号需要做消抖处理。

代码实现

1.四位的移位寄存器（counter4.v）

  这里是需要做四位的计数功能，因此我们可以手动编写状态转移。

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module counter4(
    input clk,
    input reset,
    output reg[3:0] count
    );
    reg[3:0] count;
    initial begin
        count <= 0;
    end
    always @(posedge clk or negedge reset) begin
        if(reset == 0) begin
            count <= 4'b0000; // ¸´Î»
        end else begin
            if (count == 4'b0000)
                count <= 4'b1110;
            else if (count == 4'b1110)
                count <= 4'b1101;
            else if (count == 4'b1101)
                count <= 4'b1011;
            else if (count == 4'b1011)
                count <= 4'b0111;
            else if (count == 4'b0111)
                count <= 4'b1110;

        end
    end
endmodule

2.时钟分频器（clock_div.v）

  从Basy3板提供的高频时钟中分离出一个用于扫描显示的频率，大概是100Hz左右.

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module clock_div(
    input clk,
    output reg clk_sys = 0
    );

    reg [25:0] div_counter = 0;

    always @(posedge clk) begin
            if (div_counter == 50000) begin
                clk_sys <= ~clk_sys;
                div_counter <= 0;
            end else begin
            div_counter <= div_counter + 1;
            end
        end
        // $display("div_counter: ", div_counter, "  clk_sys: ", clk_sys);
endmodule

3.显示译码器（7_SegLED.v）

  显示译码需要对照Basy3板中七段管接口，对于每一个需要显示的数字，适当地设置对应的显示代码，注意是低电平点亮。

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module 7_SegLED(
    input [3:0] display_data,
        output reg [7:0] dispcode
        );
       always @( num ) begin
          case (num)
             4'b0000 : dispcode = 8'b1100_0000;  //0£»'0'-ÁÁµÆ£¬'1'-ϨµÆ
             4'b0001 : dispcode = 8'b1111_1001;  //1
             4'b0010 : dispcode = 8'b1010_0100;  //2
             4'b0011 : dispcode = 8'b1011_0000;  //3
             4'b0100 : dispcode = 8'b1001_1001;  //4
             4'b0101 : dispcode = 8'b1001_0010;   //5
             4'b0110 : dispcode = 8'b1000_0010;  //6
             4'b0111 : dispcode = 8'b1101_1000;  //7
             4'b1000 : dispcode = 8'b1000_0000;  //8
             4'b1001 : dispcode = 8'b1001_0000;  //9
             4'b1010 : dispcode = 8'b1000_1000;  //A
             4'b1011 : dispcode = 8'b1000_0011;  //b
             4'b1100 : dispcode = 8'b1100_0110;  //C
             4'b1101 : dispcode = 8'b1010_0001;  //d
             4'b1110 : dispcode = 8'b1000_0110;  //E
             4'b1111 : dispcode = 8'b1000_1110; //F
             default : dispcode = 8'b0000_0000;  //²»ÁÁ
         endcase
       end

endmodule

4.消抖模块（key_fangdou.v）

  这一部分代码是从网上找的，基本上都可以直接搬过来用。

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module key_fangdou(clk,key_in,key_out);
parameter SAMPLE_TIME = 4;
input clk;
input key_in;
output key_out;

reg [21:0] count_low;
reg [21:0] count_high;

reg key_out_reg;

always @(posedge clk)
if(key_in ==1'b0)
count_low <= count_low + 1;
else
count_low <= 0;

always @(posedge clk)
if(key_in ==1'b1)
count_high <= count_high + 1;
else
count_high <= 0;

always @(posedge clk)
if(count_high == SAMPLE_TIME)
key_out_reg <= 1;
else if(count_low == SAMPLE_TIME)
key_out_reg <= 0;

assign key_out = key_out_reg;
endmodule

5.烧板顶层模块（display_cpu.v）

  与CPU顶层模块类似，在这一模块中连接各个模块，设置不同拨码开关状态情况下显示的内容。

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module display_cpu(
    input clock,
    input reset,
    input button1,
    input button2,
    input btn,
    output [3:0] select,
    output [7:0] dispcode,
    output testsignal
    );

    wire [3:0] pos1;
    wire [3:0] pos2;
    wire [3:0] pos3;
    wire [3:0] pos4;
    wire clk_sys;
    wire [2:0] count;
    wire [31:0] pc;
    wire [31:0] pcnext;
    wire [5:0] Opcode;
    wire [31:0] result;
    wire [4:0] rs;
    wire [4:0] rt;
    wire [31:0] Data1;
    wire [31:0] Data2;
    wire [31:0] DataOut;
    reg [3:0] num;
    //wire clr;
    wire clk;
    wire testsignal;
    assign testsignal = btn;
    //assign clr = ~reset;
    // counter
    counter4 U0(clk_sys, reset,select);

    // test counter
     //counter4 U0(clock, reset, select);

    // clock
     clock_div U1 (clock,clk_sys);

    // fangdou
    key_fangdou f(clock, btn, clk);

    // display
    display dis (num, dispcode);

    assign pos1 = (button1 ? (button2 ? result[7:4] : rt[4]) : (button2 ? rs[4] : pc[7:4] ));
    assign pos2 = (button1 ? (button2 ? result[3:0] : rt[3:0]): (button2 ? rs[3:0] : pc[3:0] ));
    assign pos3 = (button1 ? (button2 ? DataOut[7:4] : Data2[7:4]) : (button2 ? Data1[7:4] : pcnext[7:4]));
    assign pos4 = (button1 ? (button2 ? DataOut[3:0] : Data2[3:0]): (button2 ? Data1[3:0] : pcnext[3:0]));

    // s_cpu
    s_cpu uut (clk, reset, Opcode, Data1, Data2, pc, pcnext, result, rs, rt, DataOut);
    always @(select)
        begin
            case(select)
                4'b1110:
                    begin
                        num = pos4;
                    end
                4'b1101:
                    begin
                        num = pos3;
                    end
                4'b1011:
                    begin
                        num = pos2;
                    end
                4'b0111:
                    begin
                        num = pos1;
                    end
            endcase
        end

endmodule

测试运行

  烧板前最好先自己编写测试仿真文件来验证是否正确，这样可以节省时间提高效率，这里就直接给出我写的测试文件。特别注意，测试的时候不需要分频器。

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module test2;
    // Inputs
    reg clk;
    reg CLK;
    reg reset;
    reg button1;
    reg button2;
    // Outputs
    wire btn;
    wire [3:0] select;
    wire [7:0] dispcode;
    reg [7:0] c;

    display_cpu t (
        .clock(CLK),
        .reset(reset),
        .button1(button1),
        .button2(button2),
        .btn(clk),
        .select(select),
        .dispcode(dispcode)
    );

    // Initialize inputs
    initial begin
    clk <= 0;
    reset <= 0;
    button1 <= 1;
    button2 <= 1;
    CLK <= 0;
    c <= 0;
    #1;
    reset <= 1;


    forever #4
    begin
    CLK = ~CLK;
    if (c>6)
    begin
        c <= 0;
        clk = ~clk;
    end
    else
        c <= c + 1;
    end
    end
endmodule

  完成后就可以将CPU烧写进Basy3板中，运行就可以了。每次运行前记得先在重置状态下先按一下，给CPU一个时钟脉冲进行初始化。
这是我烧写出来Basy3板的一些结果：
烧板结果

小结

  烧板不是必做的内容，但是如果有时间的话还是建议大家去做。虽然分数不会差很多，但是整个过程下来会加深自己的理解，也让自己学到更多关于硬件编程方面的知识。单周期CPU的烧板部分就讲解到这里了，谢谢！

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